Bei der Renovierung meines Berechungsprogramms habe ich mir nun auch das Modul für Sonnensegel vorgenommen und damit wieder experimentiert. Ein Ergebnis will ich euch heute vorstellen. Aber fangen wir mal mit den Basics an.<\/p>\n
Als ich mit der Raumfahrt anfing, so um 1980\/81, galten Ionentriebwerke und Sonnensegel als Antriebe der Zukunft. Nun fast 40 Jahre später sind Ionentriebwerke als Satellitenantrieb etabliert, es gibt erste Satelliten, die sie als Antriebe nutzen und einige Raumsonden kamen ohne sie nie zu ihren Zielen. Auch wenn der Schritt, der am meisten Nutzlast bringt – das Hochspiralen vom Erdorbit in einen GEO oder eine Fluchtbahn – noch aussteht.<\/p>\n
Mit Sonnensegeln sieht es dagegen mau aus. Es gab bisher nur wenige Tests und eigentlich nur einer, der von Ikarus<\/a> war erfolgreich. Warum?<\/p>\n Nun es gibt einige Gründe. Der Erste ist, dass man mit Ionentriebwerken<\/a> im Kleinen experimentieren kann, sie z.B. als Lageregelungstriebwerke zusätzlich zum chemischen Antrieb installieren kann. Das geht mit Sonnensegeln nicht. Ein typisches Ionentriebwerk zur Lageregelung hat einen Stromverbrauch von 0,3 bis 1 kW und einen Schub von 0.01 bis 0.04 N. Selbst unter optimalen Umständen bräuchte man ein Segel mit 1.200 bis 5.000 m\u00b2 Fläche um diesen Schub zu erzeugen. Damit wären Satelliten kaum noch steuerbar. In niedrigen Erdumlaufbahnen ist es kaum einsetzbar, weil der Abbremsungseffekt durch die Restatmosphäre größer als die Beschleunigung ist, von der unbeabsichtigten Drehung mal ganz abgesehen.<\/p>\n Daneben sind die Ionentriebwerke ja nur ein Teilaspekt des Systems „Ionenantrieb“. Man benötigt auch viel Strom, um sie zu betreiben. Da wogen früher de benötigten Solarzellen viel mehr als der Rest des Systems, sprich die Triebwerke, Stromwandler, Leitungen und Treibstofftanks. Als ich anfing mich für Raumfahrt zu interessieren, war der Rekord bei Solarzellen bei einer Leistungsdichte von 45,6 W\/kg. Sprich ein Solarmodul das 20 kg wiegt (das ist ungefähr das Gewicht eines Solarmoduls, dass man sich aufs Dach montieren kann) lieferte damals rund 900 Watt (im Weltraum). Heute liegt man bei fest montierten Arrays bei 85 W\/kg und bei flexiblen (ohne starre Wand, auf der die Zellen befestigt sind) bei 120 W\/kg, 150 bis 170 W\/kg könnten mit größeren flexiblen Arrays erreicht werden. Kurz die Stromversorgung ist um den Faktor 2 bis 4 leichter geworden. Entsprechend stieg die Nutzlast bei gleicher Missionszeit an.<\/p>\n Dagegen hat sich bei Sonnensegeln kaum etwas getan. Die Technologie ist einfach und die Herausforderungen sind die gleichen wie vor 40 Jahren. Im wesentlichen ist ein Sonnensegel eine dünne reflektierende Folie, die auf einer großen Fläche Licht reflektiert. Die Beschleunigung erfolgt durch den Strahlungsdruck<\/a> des Lichts, nicht den Sonnenwind, der aus geladenen Teilchen besteht. Leider sind die Lichtteilchen Photonen per Definition masselos, sonst könnten sie nicht Lichtgeschwindigkeit erreichen. Andererseits haben sie natürlich Energie und diese Energie können sie auf das Sonnensegel übertragen. Nur ist das verdammt wenig. Es sind 9 N pro Quadratkilometer. Damit man einen Vergleich hat: Ein Lageregelungstriebwerk für einen Satelliten liegt bei 12 bis 22 N Schub, ein Ionentriebwerk bei 0,01 bis 0,2 N Schub. Man benötigt daher eine enorme Fläche für eine wesentliche Beschleunigung.<\/p>\n Weiterhin muss man dieses Segel platzsparend verpacken und im Weltraum entfalten können und zwar, ohne das es reist. Bisher gab es kleine Segel. IKAROS als erfolgreicher Versuch hatte ein 14 x 14 m großes Segel mit einer Masse von 15 kg. Für die Mission, die ich hier vorstelle, reden wir von 10.000 bis 25.000 m\u00b2 Fläche, also der hundertfachen Fläche. Zudem muss es leichter werden. Eine Kenngröße ist die Flaächendichte, angegeben in Gramm pro Quadratmeter. Ikaros hatte eine von 76,5 g\/m\u00b2. Technisch umsetzbar sind Segel mit einer Flächendichte von knapp unter 20 g\/m\u00b2 inklusive der Verstrebungen. Sie sind ein weiteres Problem. Ein 10.000 m\u00b2 großes Segel<\/a> ist 100 x 100 m groß. Wenn es durch zwei Verstrebungen gehalten wird, dann sind die 140 m lang und sie müssen in einen kleinen Container passen. Alternativ nimmt man ein Seil, das kann man durch die Zentrifugalkraft straff ziehen. Nur ist dann die Steuerung schwierig. IKAROS arbeitete so, wurde aber nicht aktiv gesteuert. Vielleicht nimmt man in Zukunft einen Zwitter, ein Seil aus einem Kunststoff, der unter UV-Strahlung hart wird. So kann man aus einem Seil eine Strebe machen.<\/p>\n Auch bei den Materialen gibt es keine Wunder. Es gibt im Prinzip zwei mögliche Materialen. Sie sind in der Raumfahrt nicht neu, sondern weit verbreitet. Es sind Mylar und Kapton. Aus Mylar kann man extrem dünne und trotzdem reißfeste Folien herstellen. Das Material kennen viele von den Rettungsfolien als Bestandteil des Erste-Hilfe-Koffers eines KFZ. Aus Kapton kann man nicht so dünne Folien herstellen, aber es verträgt höhere Temperaturen. Mit Kapton sollte ein Sonnensegel bis 400\u00b0C aushalten können, mit Mylar 200 \u00b0C. Das ergibt bei 85 % Reflexionsgrad aber selbst bei Mylar eine Annäherung bis auf 40 bis 45 Millionen km. Rein theoretisch sollte man auch extrem leichte Segel herstellen können, indem man nachdem man die Folien mit Aluminium bedampft oder besser gesagt „gesputtert“ hat, den Kunststoff auflöst. Doch wie man so dünne Alumniumschichten verpackt und wieder entfaltet ohne das sie reißen, ist offen.<\/p>\n Demonstriert wurden fertige Konstruktionen die um 20 g\/m\u00b2 wiegen. Damit sind Missionen ins äußere Sonnensystem wenig aktraktiv.<\/p>\n Merkur ist auch für Ionenantriebe eine Herausforderung. Will man von der Erde aus eine Umlaufbahn erreichen, die der von Merkur entspricht, sodass man sich einfangen lassen kann, so beträgt der Geschwindigkeitsbedarf über 13 km\/s. Vor allem aber kann man Solarzellen die ja bei Annäherung an die Sonne an Leistung gewinnen, nur bis zu einem gewissen Grad nutzen. Sie werden immer heißer und man muss sie sukzessive von der Sonne wegdrehen, damit sie nicht überhitzen und dann gar keine Leistung mehr abgeben. Praktisch kann man die doppelte Leistung wie in Erdnähe herausholen, bevor man dazu übergehen muss, die aufgenommene Leistung zu begrenzen.<\/p>\n Bei Sonnensegeln hat man das Problem nicht. Im Gegenteil, je mehr man sich der Sonne nähert desto schneller wird man.<\/p>\n Also habe ich mich mal hingesetzt und das berechnet. Bei Sonnensegeln kann man die gesamte Simulation auf einen Parameter herunterbrechen, die Fläche. Ich bin im Folgenden von diesen Annahmen ausgegangen:<\/p>\n Abhängig von der Sonnensegelgröße kommt man dann auf folgende Reisezeiten:<\/p>\nBesonderheit Merkur<\/h2>\n
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![\"\"](\"\/img\/sonnensegel-merkur.png\")
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![\"\"](\"\/img\/ion-merkur.png\")
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